本研究为了提高截齿的性能, 延长截齿的使用寿命。本实验使用大功率宽带半导体激光设备, 在42CrMo基材上制备了超硬复合材料, 获得了与基材紧密结合的高硬度, 高耐磨性熔覆层。研究结果表明: 熔覆层的硬度可达到855.6 HV0.3, 将基体硬度提高了3.45倍; 在基体的热影响区, 部分基体硬度可达到550 HV0.3; 熔覆层的摩擦系数与失重量均比基体的摩擦系数与失重量小, 提高了截齿的抗磨损性能; 熔覆层厚度可以达到1 351 μm; 当功率为3 500 W时, WC开始大量的熔解, 并与其他的元素相结合, 形成树枝状、块状的共晶物, 其成分主要是由Fe、Co、Cr、W等元素组成; 熔覆层中不同梯度元素含量的变化导致熔覆层各个梯度的性能出现差异, Fe、Cr、Si、W元素的改变是影响熔覆层中硬度变化的内在因素; WC颗粒周围存在微小的树枝状晶体, 有利于防止WC颗粒的脱落, 提高熔覆层耐磨性及硬度; 铁基碳化物涂层能够增强截齿性能, 减少截齿在应用过程中损伤, 延长截齿的使用寿命。

近年来, 随着微机电系统、显微医疗和组织工程等领域技术水平的快速发展, 微操作技术引起了科研界和产业界的广泛关注, 其对于未来的微纳技术的小型化、功能化和集成设备的制造有着至关重要的作用。利用飞秒激光双光子聚合技术加工的微结构, 其尺寸处于微观尺度, 质地较脆、黏着力大、尺度效应显著, 且微结构所受到的表面力逐渐取代重力起主导作用, 以上因素进一步增加了微操作的难度。因此, 一种基于毛细作用的玻璃毛细管吞吐微结构的微操作装置被提出, 利用毛细力将微结构拾取和移动, 再将不同的微结构装配在一起。该方法不仅能将微型原件进行组装, 而且能将不同材料、不同特性的微型器件组装在一起, 形成复杂的混合微结构。

为了提高矿用截齿的性能和延长截齿的寿命, 实现截齿的激光熔覆批量加工。实验室搭建了用于批量激光熔覆截齿的硬件实验平台, 设计了激光熔覆工艺流程, 方案中采用半导体激光器在42CrMo基材上制备了高硬度, 高耐磨性的镍基WC合金熔覆层, 进行了该熔覆层的硬度、摩擦系数和厚度系列实验, 进一步分析了硬度曲线图产生波动等的原因。实验结果可知, 该实验设备和激光熔覆工艺适合于批量激光熔覆截齿, 该熔覆层的硬度平均值可达691.96 HV0.3, 与基体硬度相比提高了2.93倍。熔覆层的摩擦系数在0.35左右, 远低于基体摩擦系数0.55, 熔覆层厚度达到2 289.31 μm。基于镍基合金的激光熔覆设备及工艺, 可用于矿用截齿的激光熔覆修复与强化, 有效提升截齿的综合性能, 降低企业的成本。

获得三维模型指定点的空间坐标是针对模型文件操作的基础。针对传统算法的不足提出一种获取所选点原始坐标的方法。在选点的过程中, 该算法允许模型进行任意角度的旋转, 以选取模型侧面及背面的点, 并通过旋转矩阵对该点还原。算法完成从屏幕的二维像素坐标到模型的三维坐标, 再到模型文件原始坐标的转换。实验表明, 该方法可以准确获取模型的所有可视表面的点坐标,提高了拾取的灵活性。

为了使三维光存储技术的应用水平得到提高, 以DVD伺服技术、双光子吸收技术为基础组建了一套信息存储系统。针对DVD光学读取头系统, 采用RBF神经网络自适应PID控制器进行控制, 充分利用RBF神经网络的自学习和全局非线性逼近能力, 在线调整修正PID控制器的3个参数, 使其达到一种最优控制, 并通过MATLAB软件进行了计算机仿真。由仿真结果可以得出: 通过应用RBF神经网络自适应PID控制算法, 系统单位阶跃响应的调整时间为0.25 s, 并使系统的超调量降低到几乎为零。

搭建了一套基于DVD聚焦循道伺服技术和双光子吸收三维光存储技术的双光头三维光盘存储系统。针对DVD光学读取头传递函数,采用BP神经网络自适应PID控制算法,构建PID控制系统仿真模型,通过BP神经网络的超强自学习和非线性逼近能力在线调整PID控制器参数,并进行计算机Matlab仿真。仿真结果表明,BP神经网络自适应PID控制算法提升了系统的响应速度,减小了系统的超调量。

为了实现三维光信息存储的实用化, 在三维光盘存储实验系统的基础上, 改进、设计出了一种可用于三维数据存储的单侧读写光学头。对光学头进行了光学和控制系统的设计, 利用专门设计的耦合分光棱镜进行光束耦合和分离; 采用双音圈电机控制透镜的方式实现数据的选层; 进行了聚焦伺服系统的建模和仿真。结果表明双光束焦点同步误差保持在±3μm之内。

飞秒激光三维光存储是实现高密度光存储的重要方法。为了提高飞秒激光三维光存储技术的实用化，基于DVD聚焦、循道伺服技术搭建了一套飞秒激光三维光盘存储系统。针对DVD光学头建立音圈电机电气模型，并通过典型二阶系统参数计算可获得详细的光头传递函数。针对DVD光学头传递函数，采用模糊PID算法，构建模糊PID控制系统的仿真模型，通过模糊控制规则在线对PID参数进行整定，并进行计算机Matlab仿真。仿真结果表明：模糊PID控制算法可使系统的稳定性、响应速度、超调量和稳态误差等达到系统性能指标的要求。

基于三维集成成像理论以及相机阵列和显示透镜阵列之间的对应关系，利用几何成像理论和光线追踪方法对不匹配全光学集成成像记录系统进行了理论分析，得到了主要记录参数(记录距离和相机间隔)和集成成像显示特性之间的关系。提出了一种非匹配系统中相机阵列记录系统参数的设计方法，并设计了相机阵列记录系统。计算得到了系统的关键参数为记录距离49.6 cm，相机间隔25 mm。对提出的方法进行了实验验证，结果表明，提出的相机阵列光学记录系统能够完整记录场景的三维信息，三维显示特性基本达到了设计指标，相机阵列的主要记录参数与集成成像三维显示特性的关系符合理论分析，验证了提出方法及系统设计的可行性。 提出的系统可为不匹配全光学集成成像系统显示提供大场景、高分辨率微图像阵列。

针对三维集成成像与显示技术中光学阵列式物体三维信息获取的要求，提出了一种确定最佳记录距离的新方法来减少相邻成像单元间的干扰和三维再现过程中的串扰现象。通过分析大小不同的物体在不同记录距离处的物点成像率和像点利用率，确定了合理的记录距离。分析结果表明，对于特定的集成成像系统，该新方法确定的最佳记录距离处的物点成像率和像点利用率的乘积比传统方法均有较大提高，最大可以提高34倍。另外，通过光学实验实现了完整且细节丰富的三维图像再现，进一步验证了这一方法的正确性。该方法同时适用于透镜阵列和照相机阵列的三维信息获取。